俯沖帶是地表與地球深部之間碳循環(huán)的主要場所，它直接影響著地表生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和氣候變化，與宜居地球的形成與演化息息相關(guān)。板片俯沖過程中物理化學(xué)條件的差異導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)、不同俯沖帶碳輸入的顯著差異（Plank and Manning, 2019）。單一俯沖帶中，俯沖帶熱結(jié)構(gòu)沿走向的變化已經(jīng)被證實可以導(dǎo)致俯沖板片碳輸入的大尺度的空間變化（>1000公里；Lopez et al., 2023）。然而，在單一俯沖帶小尺度空間內(nèi)俯沖板片碳輸入是否存在三維空間變化？如果存在，在三維空間上再循環(huán)碳酸鹽是如何改造地幔源區(qū)屬性的？這些問題并沒有得到很好的回答。
針對這一關(guān)鍵問題，我院許文良教授引領(lǐng)的“吉林大學(xué)地球深部動力學(xué)創(chuàng)新團隊”聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（北京）劉盛遨教授，對東北亞陸緣、平行于俯沖帶分布的中新世板內(nèi)玄武巖開展了系統(tǒng)的Mg-Zn同位素研究（圖1），結(jié)合東北亞陸緣新生代玄武巖中地幔捕虜體的空間分布和地球物理觀測資料，為單一俯沖帶小尺度碳輸入的三維空間變異提供了關(guān)鍵證據(jù)。具體研究成果如下：
圖1 東北亞陸緣中新世玄武巖及地幔捕虜體分布圖
1）發(fā)現(xiàn)平行俯沖帶走向分布的中新世板內(nèi)玄武巖的Mg-Zn同位素組成存在明顯的空間變異。東北亞陸緣北部地區(qū)中新世玄武巖顯示了Mg-Zn同位素耦合的特點（圖2）。與之不同，南部地區(qū)同時代玄武巖顯示了Mg-Zn同位素組成解耦的特點。中部地區(qū)玄武巖則顯示了Mg-Zn同位素組成輕微解耦的特點。中新世玄武巖Mg-Zn同位素組成的空間變化暗示俯沖帶沿海溝方向存在明顯的碳輸入的空間差異。
圖2 東北亞陸緣中新世玄武巖的δ66Zn-δ26Mg圖
2）揭示了俯沖帶沿海溝方向碳輸入機制的空間變化。北部中新世玄武巖的Mg-Zn同位素耦合暗示北部地區(qū)俯沖帶淺層存在明顯的碳酸鹽溶解，碳的循環(huán)效率高，而僅有少量碳被俯沖板片帶到地幔深部（Qu et al., 2022）。相反，南部中新世玄武巖的Mg-Zn同位素解耦特征暗示南部地區(qū)俯沖帶淺層不存在明顯的碳酸鹽溶解，碳的循環(huán)效率低，使得大量的碳酸鹽可以保存下來，隨俯沖板片到達地幔過渡帶，進而交代上覆地幔，導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域大量異剝橄欖巖的形成（圖1）。
3）揭示俯沖帶熱結(jié)構(gòu)是控制俯沖帶碳輸入空間變化的主導(dǎo)因素。三維地球物理熱模型和地幔潛溫共同揭示了在弧下深度，太平洋板片表面溫度從北向南逐漸降低。這種熱結(jié)構(gòu)的空間變化導(dǎo)致碳酸鹽溶解度具有顯著差異（圖3a）。俯沖帶北部的高溫不僅促使流體大量形成，而且使碳酸鹽的溶解度增加了兩倍以上，這導(dǎo)致碳酸鹽沉積物顯著溶解（圖3b）。而相對較冷的南部則幾乎不會導(dǎo)致碳酸鹽沉積物在淺部的溶解，更多的碳酸鹽被俯沖板片帶入到深部地幔（圖3c）。
圖3 東北亞陸緣碳輸入空間變化示意圖
本研究基于同時代玄武巖Mg-Zn同位素組成的空間變異，識別出俯沖碳輸入在沿海溝方向的小尺度范圍呈現(xiàn)出顯著的空間變化，并確定俯沖帶熱結(jié)構(gòu)是控制上述空間變化的主導(dǎo)因素，這為進一步探尋俯沖帶深部地幔的地球物理異常和氧化還原屬性的不均一性提供了依據(jù)，并同時顯示了Mg-Zn同位素在碳酸鹽示蹤方面的深厚潛力。
以上研究成果于2025年6月以“Three-dimensional variations in carbon inputs to a subduction zone based on Mg–Zn isotopes”為題發(fā)表于國際地學(xué)期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院博士研究生熊帥是論文的第一作者，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院許文良教授、王楓教授為該文的共同通訊作者。參與這項研究的還有中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室的劉盛遨教授，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院的王旖旎教授、博士研究生張思文和洪恪淳。該工作由國家重點研發(fā)計劃（2022YFF0801002）、國家自然科學(xué)基金(42372065、42130302)和吉林大學(xué)科技創(chuàng)新研究團隊（2021TD-05）共同資助。研究的詳細信息請參照原文。
參考文獻
Lopez, T., Fischer, T., Plank, T., Malinverno, A., Rasmussen, D., Rizzo, A., Cottrell, D., Werner, C., Kern, C., Bergfeld, D., Ilanko, T., Andrys, J., Kelley, K., 2023. Tracking carbon from subduction to outgassing along the Aleutian-Alaska Volcanic Arc. Sci. Adv. 9(26), 1-12.
Plank, T., Manning, C.E., 2019. Subducting carbon. Nature 574, 343-352.
Qu, Y.R., Liu, S.A., Wu, H.C., Li, M.L, Tian, H.C., 2022. Tracing carbonate dissolution in subducting sediments by zinc and magnesium isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta 319, 56-72.
原文信息：Shuai Xiong, Feng Wang*, Yi-Ni Wang, Ke-Chun Hong, Si-Wen Zhang, Sheng-Ao Liu, Wen-Liang Xu*. 2025. Three-dimensional variations in carbon inputs to a subduction zone based on Mg–Zn isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta, https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.06.023
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703725003369
